快拆式异形轨道运动机器人设计

快拆式异形轨道运动机器人设计

随着工业技术和电子技术的快速发展，各种机器人开始出现在人们的生活和工作中。机器人的发展关系到国家工业的发展。在物流、巡检、消防等工业领域，轨道机器人的应用提高了生产效率和自动化水平；在公路隧道、电缆隧道、变电站等危险场所，轨道机器人可代替人工，全天候、长期在恶劣的环境下工作。采用轨道机器人代替人工进行巡检是一种必然的趋势相较于国外，我国直到20世纪90年代末期，才开始对轨道式巡线机器人有相关的研究本文主要设计一种在异形轨道上稳定运动的自主移动机器人的运动结构和云台结构。通过摩擦轮驱动在异形轨道上稳定运动，顺利通过弧弯；设计了铰链卡扣的结构实现快速拆装；最后应用导电滑环，实现监控云台360°自由旋转。1移动机器的方案分析和设计通过对参考文献经对比，选择主动轮于轨道上作为运动方案。2导向轮控制原理本文的运动设计方案为：异形轨道运动机器人的底盘运动主要采用2个驱动轮、2个从动轮的方式在轨道上表面移动，轮子支架与底盘固连，两侧装有两对导向轮，靠导向轮来引导整个车身在弯道处平滑的转弯。其中，导向轮的设计，采用两侧分别加导轮，靠弹簧将其压紧在轨道的两侧，由此实现机器人平稳的在轨道上移动和转弯；同时，利用滑环机构实现云台摄像头的360°旋转监视。3框架内的轨道运动结构的设计3.1擦轮结构的选择摩擦轮驱动机构共有2个，布置于机器人底盘的同一侧，其为机器人轨道运动的动力源，此外还承担机器人挂载在轨道上的重力。故设计电机与摩擦轮为非直联的结构，以避免直联结构产生的径向力对电机轴的损伤，从而提高电机的使用寿命。摩擦轮驱动机构如图3所示。此机构设计有一种既能与摩擦轮连接紧固、且需要与轴承装配从而能与梅花联轴器连接的法兰轴（见图4），法兰轴通过4个螺钉与摩擦轮连接。法兰轴一端与法兰轴承配合，另外一端则通过梅花联轴器与电机轴相连接。摩擦轮所受到的正上方压力传递给左右两侧的法兰轴承作为其径向力，其剖视图如5所示。3.2两侧均为固定不可活动导向轮结构为使得异形轨道在轨道上能够顺利通过弧弯，并且在运动的时候不会左右晃动，需要在轨道侧边装载导向轮。本文设计为一侧固定不可活动导向轮、另一侧为采用弹簧可活动调整导向轮的结构，如图6所示。采取这种设计方式理由是：假如采用两侧均为固定不可活动导向轮结构，由于导轮间距固定，在过弯时无法有一定的活动范围，容易使得在过弯时不够顺滑会消耗更多功率；并且在装载时需要将导轮对齐两侧轨道侧边，才能将机器人挂载于轨道上，需要耗费更多的时间来装载。而假如采用两侧均为弹簧活动导向轮结构，其过弯效果相较于本设计方式虽并无太大差异，但提高了机器人重量和成本。导向轮弹簧夹紧装置，如图7所示，利用2个直线轴承来保证导向轮的活动方向，在直线轴承夹板与导向轮之间加上弹簧，即可实现导轮有一定的弹性活动范围；通过加工直角铝件将带螺杆导向轮直接连接于直角铝件的螺纹孔上，在满足需求的同时尽可能减轻了装置重量、降低其成本。3.3机器人快拆挂载由于在正式工作前，均需要将机器人挂载于轨道上，在需要检修的时侯又要将机器人从轨道上拆卸下来，而在挂载与拆卸的过程中，都需要做到简便易拆卸，因此设计出能够快拆的结构，挂载与拆卸可在9s内完成，如图8所示。快拆结构如图9所示，扣板末端为活动铰链，将机器人套在轨道上，再将扣板扣在活动侧的圆形卡块上，这样就能够让整个活动侧方管保持这个角度即从动轮与轨道垂直。由此就可以保证机器人能够快速挂载于轨道上，并且稳定运动。对机器人挂载过程进行图解分析，可分为3大步骤：（拆卸过程与挂载过程步骤相反）1）将机器人从初始状态展开，并将其套进轨道里，如图10所示；2）将机器人活动侧旋转至原来大概位置，让导向轮接触到轨道侧面，如图11所示；3）将快拆结构扣板扣进圆形卡块里，前后扣板均需要扣紧，如图12所示。3.4电滑环的安装为实现云台360°无限制旋转，本文设计YAW轴滑环机构，如图13所示。该机构云台电机通过同步带传动的方式，从而带动云台YAW轴方向旋转。定制同步带轮上下各有1个推力球轴承，承受整个云台的轴向力。电滑环被套在定制同步带轮中，并与滑环转子紧固，定制同步带轮的底下凸台竖直方向的4个M4螺丝孔与云台紧固，传递力矩。推力球固定块与推力球轴承静止环配合。此机构不管是在扭矩传递上，还是在滑环的运用及其导线的外延的组成上，均能够较好实现各功能，从而在有限空间内实现各功能的整合，不仅节约了大量空间还减轻了机器人的重量。在此结构中加上自主选用的摄像头等即可起到360°监视效果。3.5路农业织物组织通过绘制快拆式异形轨道运动机器人的控制电路布线结构图（见图14），能够清晰地看出各个模块之间的线路连接，避免在线路连接过程中，出现接错或者漏接的情况，提高效率。4装置的结构设置本文主要对机器人的运动结构和云台结构进行分案分析和选定，让机器人结构方案能够最优实现其功能。采用摩擦轮驱动机器人，让其顺滑地通过弯轨；为满足快速拆卸的需求，设计铰链扣板，保证稳定挂载的同时做到轻量化，并满足需求；另外，采用同步带传动使云台在水平方向转动，选用相应内径的